加壓流化床氣固流動特性分析

劉懷雙 代曉峰 馮海燕

山東華魯恒升化工股份有限公司 山東 德州 253000

引言

流化床反應器在具體應用過程中具有很好的優(yōu)勢以及相應的特點，其結構比較簡單，具備良好的混合效果，與此同時不需要投資過多。流化床反應器能夠應用到乙烯氣相聚合工藝中，在具體應用過程中，不需要很長的工藝流程，不需要使用太多的材料和溶劑，在生產全密度聚乙烯時，流化床反應器能夠起到很好的作用，氣固流化床在多種乙烯工藝中都得到了很好的應用，例如Spherilene聚乙烯工藝和Borstar工藝等。所以要科學合理的研究加壓條件下氣固流化床內的流動特性。

1 流化床特性

1.1 鼓泡流化床氣固流動特性

目前在化工以及能源等行業(yè)中，加壓流化床得到了廣泛的應用，這與硫化肽技術的發(fā)展有著一定的聯(lián)系。目前在研究和分析鼓泡流化床時，主要考慮到的是臨界流化風速以及氣泡尺寸等各項因素。

1.1.1 臨界流化風速。臨界流化風速在相應的工業(yè)設計和實際運行過程中是比較基礎的參數(shù)。所以在對臨界流化風速進行確定時，要考慮到不同壓力以及不同溫度下的變化情況。目前在對最小臨界流化風速進行確定時，主要是依據操作壓力。

1.1.2 氣泡特性。流化床內的顆粒在混合以及循環(huán)等過程中會受到氣泡運動的影響，主要會影響到埋管的換熱特性。氣泡的運動特性與硫化狀態(tài)以及相關的因素有著很大的聯(lián)系，氣固兩相，在進行傳質時會受到氣泡上升的影響啊，這主要是因為其會與乳化相有一定程度的交換，在此過程中燃燒過程會受到氣泡運動特性的影響。目前在對氣泡特性進行研究時，在加壓條件下，氣泡的尺寸以及上升速度會受到操作壓力的影響，隨著壓力的升高，相應的參數(shù)會有所降低。

1.1.3 顆粒運動。相關人員在對三維氣固鼓泡流化床進行研究時，主要采用的是雙流體模型，在此基礎上開展了數(shù)值模擬研究，在對顆粒的流動性進行分析時，考慮到了壓力條件的不同，并且探討了過于風速對其產生的影響，主要考慮的對象是床層壓力波動，氣泡和顆粒的流動性等。最終的研究結果表明，空隙率分布，如果是在高操作壓力條件下，那么具備很好的均勻性，床層中氣泡的位置與其尺寸有著很大的聯(lián)系。在具體操作過程中，如果壓力處于1bar~2bar，那么隨著壓力的升高，氣泡的上升速度會有一定程度的增大，如果壓力過于大那么氣泡上升的速度會與壓力增加的速度成反比。傳承中心軸線處的顆粒流率，在較高的操作壓力條件下會呈現(xiàn)出比較大的狀態(tài)。

1.1.4 壓力波動。在測量流化床中的氣固間流動狀態(tài)時具備一定的難度，這主要是因為其流動狀況比較復雜。流化床內氣固兩相間的流動特性能夠通過壓力信號進行很好的體現(xiàn)，這主要是因為床體幾何特性以及顆粒特性等各種因素能夠綜合反映出傳統(tǒng)的壓力信號，在此基礎上能夠很好地對綜合的動態(tài)特征進行明確。

1.2 循環(huán)流化床氣固流動特性

目前循環(huán)流化床在很多領域都得到了廣泛的應用，包括煤燃燒以及生物質資源化利用等，這主要是因為其具備很好的優(yōu)點，能夠實現(xiàn)高效性和低污染性。循環(huán)流化床中氣固混合以及顆粒運動等會受到顆粒濃度軸徑向分布等特性的影響。館內的壓力分布以及顆粒停留的時間等，能夠通過提升管中的顆粒分布狀況進行相應的改變，除此之外，顆粒分布狀況還決定了氣固與化床壁面之間的換熱特性。流化分數(shù)以及顆粒循環(huán)流率等都會影響到循環(huán)流化床中的氣固兩相流動，除此之外，操作壓力以及氣固兩相間的相互作用等也是主要的影響因素。反應器要想實現(xiàn)高效傳熱傳質，那么就要保證氣固流動狀態(tài)的良好，這樣才能夠有效地進行化學反應。目前國內外都非常重視研究和分析，循環(huán)流化床中的氣固流動特性。

1.2.1 顆粒濃度分布。有關人員在對床體結構參數(shù)以及操作參數(shù)等進行研究和分析時，都是在加壓條件下進行的，結構參數(shù)包含了反料器操作參數(shù)包含了床料量以及操作壓力等，相關參數(shù)的變化會影響到氣固流動特性。最終的研究結果表明，如果壓力是不斷增加的那么對顆粒濃度進行提升，最終會導致呈上小下大的分布規(guī)律，在此過程中，如果流化風速逐漸增大，那么其分布會逐漸均勻。管上部區(qū)域的表觀顆粒體積分數(shù)與操作壓力有著一定的聯(lián)系，如果流化風速以及床料量是不變的，那么提高操作壓力能夠提升體積分數(shù)。提升管內的顆粒濃度分布狀況，不會隨著反料器之間的改變而發(fā)生變化，管頂部的顆粒濃度能夠使用凸頭結構進行提升。

1.2.2 氣固滑移特性。在對循環(huán)流化床系統(tǒng)進行設計，以及運行時，要科學全面的認識氣固流動特性。床內氣固兩相間存在著動量以及熱量方面的交換，在此過程中提升管內的氣固滑移特性會對其產生很大的影響[1]。目前在分析研究氣固滑移特性時，會在常壓條件下對循環(huán)流化床進行相應的分析。

2 研究方法

2.1 模擬對象和方法

該文章在進行模擬分析和研究時，主要是對加壓條件下的氣固兩相流動進行模擬分析，相應的數(shù)據在生產時主要應用的是聚乙烯裝置。所使用的固體顆粒直徑都是均勻的屬于聚乙烯顆粒，無形參數(shù)與某乙烯氣象聚合反應器內的氣體性質都是比較接近的。在具體研究過程中使用到了流體動力學軟件，在相應的平臺上開展了具體的模擬計算。首先，需要繪制三維流化床集合體，所使用到的平臺是Workbench，繪制完成之后需要導出文件，隨后再定義各個部分，包括進出口等。其次，上述文件在完成之后需要進行導入，然后設置參數(shù)以及邊界條件。最后要開展具體的求解。

2.2 加壓條件下流化床CFD模型建立

在對氣固流化床進行相應的模擬時采用的是加壓條件，主要應用流程模擬，在此過程中需要進行科學合理的計算，要想保證結果的，正確就要選擇不同的網格數(shù)量，在對網格數(shù)量進行確定，是要保證參數(shù)不變，然后對比不同的模型，在此過程中還需要考慮到床層壓降和膨脹比，在建立CFD模型時，要保證是在前沿條件下進行的，隨后需要比較模擬值和計算值，在此過程中要考慮到壓降以及床層膨脹比等，最終確保所見到的模型具備一定的有效性。在確定邊界條件時，可以使用速度進口以及壓力出口，氣體的速度方向要與入口有一定的垂直度，其大小要具備均勻性。氣體在壁面處沒有出現(xiàn)滑移的情況。氣固兩相在雙流體模型中能夠遵守動量守恒方程，在對方程組進行封閉時，采用的是顆粒流的動力學理論。在對動量交換系數(shù)進行表達時，采用的是Wen&Yu曳力模型，在具體模擬過程中使用的是非穩(wěn)態(tài)模擬法，在離散控制方程時，采用的是一階迎風格式。

3 結果與討論

該文章在對流體力學模型進行計算時使用的是乙烯氣象聚合流化床反應器，并且是在加壓條件下進行分析的，并且研究了相應的流動特性。

3.1 壓力對反應器床層壓降的影響

圖1是床層的沿床壓降，并且是針對不同壓力條件下的情況進行繪制的圖。由圖可以看出，如果壓力相同，并且高度在一定的范圍內，那么壓降會隨著顆粒濃度以及床層高度的增加，而呈現(xiàn)出線性減小的情況。如果高度達到一定的值，壓降逐漸趨于常數(shù)，并且沒有固體顆粒。隨著高度范圍的不斷變化，床層內固含率會受到床層高度的影響，如果高度增加那么床層內固含率會出現(xiàn)略微減小的情況，表現(xiàn)在圖上則是曲線斜率有一定程度的減小。通過對壓降曲線進行分析，可以看出，床層內的壓降會隨著壓力的增大而提升，但是其高度是相同的。

圖1 不同壓力下床層沿床壓降

3.2 壓力對固含率分布的影響

圖2是床層固含率的軸向分布，同樣表征的是不同壓力條件下的分布情況。有圖可以看出長存固含率會隨著周向高度的增加，而呈現(xiàn)出減小的狀況，并且是在同一壓力下所得到的，床層的上部和下部分為稀相區(qū)和密相區(qū)[2]。在此過程中出現(xiàn)了固含率增大的趨勢，這主要是因為底部固含率設置為0。在不同壓力條件下，固含率的變化情況是不同的，如果小于35cm那么同一高度的固含率會隨著壓力的降低而增大，如果是在35cm以上，那么同一高度的固含率會隨著壓力的減小而降低。長城的膨脹高度會隨著壓力的增大而增加，逆向區(qū)的長城會隨著固含率的下降而逐漸均勻。氣體密度會隨著壓力的增加而有一定程度的提升。

圖2 壓力對固含率軸向分布的影響

在5cm和20cm處，不同壓力下的固含率徑向分布情況。通過分布圖可以看出其具備一定的規(guī)律，一般情況下是中間均勻而周圍逐漸增大，該種結構屬于環(huán)核結構，在此過程中，顆粒的濃度是比較大的，尤其是大于中心區(qū)域，但是不具備較大的速度。通過分布圖可以看出固含率會隨著壓力的增大，而呈現(xiàn)出減小的趨勢。不同區(qū)域的壓力對固含率所產生的影響是不同的，在床層的中部所產生的影響是比較大的，該區(qū)域的固含率徑向分布會隨著壓力的增大，而呈現(xiàn)出均勻的趨勢。

3.3 壓力對顆粒速率的影響

該文章在探討壓力對速率所產生的影響時，對不同壓力條件下，可以走向速率的徑向分布情況進行了比較。最終的結果表明，顆粒像速率會呈現(xiàn)出循環(huán)流動的模式，并且具備中心向上以及4周向下的特點[3]。這主要是因為雙層底部堆積的固體顆粒受到了顆粒流化的影響，而出現(xiàn)了向上運動的情況，在此過程中氣泡會出現(xiàn)破裂，顆粒會出現(xiàn)回落，最終形成像樣的循環(huán)結構。床層底部顆粒相的上升速率和下降速率會隨著壓力的增大而有一定程度的增加，但是不會影響到中部的顆粒速率，這主要是因為壓力會大大的影響到床層底部的固含率。所以要想很好的保證流化床底部顆粒的流化，就要保證壓力增大，并且要確保流化速率的增大。

4 結束語

綜上所述，再分析和比較氣泡行為，軸徑向分部以及顆粒速率時，建立了相應的CFD模型。最終的研究結果顯示，床層底部的顆粒速率，能夠通過壓力的升高而有一定程度的增加，在此基礎上床層的膨脹高度以及分布的均勻性都會得到有效的提升和改善。如果壓力以及氣含率都增大，那么氣泡的數(shù)量會增大，并且會出現(xiàn)破裂和合并。